北斗高精度智能交通系統的設計和實現

孫 越

（吉林交通職業技術學院 吉林 長春 132000）

0 引言

北斗高精度智能交通系統的設計和應用，不僅保證車輛和人員北斗定位的高效性和準確性，還能為人們的出行提供極大的便利，保證人們出行的安全性和便捷性，很好地滿足國家安全和經濟發展的需求，促進我國衛星導航系統的健康、可持續發展，所以，為了更好地滿足車輛的高精度定位需求，在聯合定位算法、路徑規劃算法的應用背景下，如何科學地設計和實現北斗高精度智能交通系統是技術人員必須思考和解決的問題。

1 系統設計關鍵技術

1.1 聯合定位算法

聯合定位算法作為一種重要算法，主要是在參照實時動態測量（real time kinematic，RTK）定位解算算法的基礎上進行研發的，通過該算法，結合車輛和行人的軌跡跟蹤情況，利用RTK差分技術，確保車輛和人員定位的精確性和真實性。北斗高精度智能交通系統在實際設計中，要重視對聯合定位算法的應用，通過利用空間距離交會原理[1]，將北斗/GPS接收機安裝和部署到地面特定位置上，在同一時間段內，接收多個衛星所發射的信號。通過對這些衛星當前位置以及與該接收機之間的距離進行精確化測定，并利用距離交會法，精確地計算出測站P位置信息。基礎算法示意圖如圖1所示，從圖1中可以看出，將測站點p至四顆衛星S1、S2、S3、S4之間的距離分別設置為P1、P2、P3、P4，然后，借助GPS電文解譯法[2]，精確地計算出四顆GPS衛星的三維坐標。

1.2 路徑規劃算法

路徑規劃算法主要是在參照多判決標準路徑導航算法的基礎上進行設計的，主要用于對智能化交通導航相關問題的分析和研究，利用交通路況信息，可以實現對搜索條件的有效約束，從而確定出城市路網智能導航場景，并形成相應的多判決智能化導航算法。假設路網中所有節點的標號均為（dt，pt）。其中，dt主要是指從s出發點到t點之間最短路徑長度；pt主要是指從s出發點到t點之間的最短路徑中t點的上一個點，最短路徑計算步驟如下：從未標記的點中，確定出與距離源點距離最近的點，并將該點添加到所標記好的點集合中，然后，對其余點到起始點之間最短距離進行實時更新。路徑規劃算法在實際應用中，需要參照Dijkstra算法，根據當地實際應用需求，借助基礎路徑規劃算法，科學設計臨接矩陣算法和臨接節點算法，為后期算法的拓展打下堅實的基礎。以“某城市道路網絡”為例，該網絡所對應的拓撲圖表現出點多邊少、網絡結構規則、節點分布均勻、稀疏網絡規模大等特點，整個網絡通常呈現出完全連通圖外觀，也就是說，當網絡中任意兩點均可以相互連接和到達，該網絡可以精確地表示出智能車輛所對應的換向節點，該節點與當前路口之間的距離為500 m。結合網絡拓撲圖的特點，滿足當地限制搜索區域的路徑規劃算法表現出較多的應用優勢。通過利用路徑規劃算法，可以對限制搜索區域進行有效的限制[3]，使得算法的搜索空間降到最低。在使用該算法期間，除了要考慮最短路徑外，還要考慮多個算法的定量化因素，然后，利用城市道路路段的不同特性，完成對啟發式搜索策略的構建，從而形成相應的分層搜索策略，這樣一來，不僅可以最大限度地提高路徑規劃的精確性，還能保證搜索效率。

2 系統架構設計

系統架構設計示意圖如圖2示，從圖2可以看出，該系統主要包含以下幾個層次：（1）數據采集層。數據采集層主要由傳感器、攝像頭和RFID等設備組成，該層主要負責對相關信息數據的采集、收集和處理。（2）數據存儲層。數據存儲層在具體的設計中，主要使用了Hadoop平臺內部的分布式文件系統和分布式數據庫，因此，該層具有較高的數據訪問的效率和較強的擴展性，便于用戶根據自己的需求，有針對性地擴展數據的存儲節點。（3）數據展示層。數據展示層在具體的運用中，主要通過利用數據相關算法，借助計算機，采用繪制圖表的方式，向用戶形象、直觀地展示各種信息數據，便于用戶利用該系統實現對各種信息數據的查詢、分析和預測。

3 系統功能模塊設計

為了充分利用聯合定位算法與路徑規劃算法兩種算法的應用優勢，提高該系統的穩定性和實用性，技術人員必須要嚴格按照如圖3所示的系統功能模塊設計示意圖，完成對以下功能模塊的科學化設計。

3.1 中心服務模塊設計

中心服務模塊主要包含計算機設備、UPS設備和高精度定位軟件等部分，其中，高精度定位軟件與GNSS基準站之間建立良好的連接關系，可以從GNSS基準站內接收相應的原始觀測數據，并產生多個差分改正數。此外，高精度定位軟件與人員定位模塊和車載移動站模塊之間可以進行高效的通信，通過借助5G無線鏈路[4]，可以實現對差分改正數的全面化、高效化播發，并獲得相應的高精度定位信息，借助二維GIS地圖，將這些定位信息形象、直觀地呈現在用戶面前，確保車輛和人員管理的有效性和規范性。

3.2 GNSS基準站模塊設計

GNSS基準站模塊主要用于對衛星信號的接收，并向中心服務模塊安全、可靠地傳輸所生成的原始觀測數據，該模塊主要是由GNSS接收機、GNSS天線和浪涌保護器等部分組成。此外，該模塊在實際設計中，主要用到了北斗地基增強站，該增強站示意圖如圖4所示。GNSS接收機為高精度板卡提供了良好的支持作用。主機系統表現出運行性能穩定、網絡管理水平高、抗干擾能力強、功耗低等特點[5]，完全符合基準站智能化操控需求，被廣泛地應用于測繪、地震、位移監測等領域中，并取得了良好的應用效果。GNSS測量型天線主要負責對GNSS系統衛星信號的實時接收和處理。天線結構在實際設計期間，主要借助了外殼，該外殼具有防水、防紫外線等性能特點。

3.3 車載終端模塊設計

車載終端模塊的設計和應用，可以保證車輛定位的精確性，以達到高精度定位車輛的目的。車載終端通過利用5G無線鏈路，實現對GNSS差分改正數的完整化、全面化收集和整理，并結合所接收到的衛星信號[6]，對差分進行精確化計算，確保車輛定位的便捷性和高精確性，并向中心服務模塊安全、可靠地傳輸所獲取的車輛位置信息。車載終端模塊主要是由車輛GNSS接收機、5G天線等部分組成。其中，車載GNSS接收機在實際設計中，主要用到了北斗RTK差分定位技術，通過內置和應用通信模塊[7]，可以實現對差分數據的安全化、科學化管控和處理。

3.4 人員終端模塊設計

人員終端模塊的設計和應用可以保證人員定位的精確性和高效性，完全符合人員高精度定位需求。通過利用5G無線鏈路，可以實現對GNSS差分改正數的完整化、全面化收集和整理，并借助所接收的衛星信號，精確地計算差分，確保人員定位的高效性和精確性，并向中心服務模塊安全、可靠地傳輸所獲取的人員位置信息[8]。人員終端模塊主要是由人員定位終端和穿戴套件組成。其中，人員定位終端作為一種GNSS接收機，主要用于對人員位置信息的精確化監控，利用北斗偽距差分技術，可以實現對差分數據的安全化接入和管控。

3.5 高精度定位模塊設計

高精度定位模塊主要包含車載定位和人員定位兩種類型。由于車載終端在實際設計中，主要用到了外部供電方式，有效地突破了功耗、重量等參數的限制，所以，車載終端重點關注的性能指標以定位精度這一參數為主。為了進一步提高車載終端設計水平，需要使用RTK定位模塊，以確保車載和人員定位的高精確性和高智能性[9]，符合車道級導航管控需求。人員定位終端在實際設計中，需要優先選用輕便、能效高的電池，所以，人員終端模塊要借助DGPS定位模塊，對其進行科學設計。另外，由于人員姿態經常出現較大的改變，所以，可以適當地降低人員定位精確度，用“米級”表示人員定位精度，從而更好地滿足人員監控相關標準和要求，為促進未來應用系統的科學化、高效化開發打下堅實的基礎。

4 系統測試

為了更好地驗證北斗高精度智能交通系統的有效性和穩定性，測試人員要重點對該系統的功能和性能進行全方位測試。

4.1 功能測試

4.1.1 電子圍欄

將電子圍欄系統與移動設備進行融合，利用移動設備在圍欄區域的停留時長和進出時間，精確地確定出移動設備位置和電子圍欄位置之間的關系。在本次測試項目中，內置定位系統的校車在所規定的時間段內如果沒有離開電子圍欄邊界，系統會自動發出報警聲[10]，以引起相關人員的注意，此時，管理人員會在第一時間內及時查看和了解相關車輛的實際動態，并采用行之有效的措施，對其進行處理。

4.1.2 實時軌跡

通過利用地圖，可以將車輛位置和人員位置呈現在用戶面前，并選擇和確定出特定車輛和人員，此時，系統會自動跳轉到軌跡頁面中，該軌跡頁面可以實時顯示車輛和人員當前的位置信息。

4.1.3 軌跡回訪

通過利用該系統，可以對被控車輛的當前位置信息進行全天24小時的監控，并對車輛歷史軌跡和行程記錄進行隨時隨地回放。

4.2 性能測試

4.2.1 車載終端單點定位精度測試

單點定位是借助單臺設備進行實時觀測，該系統的單點定位精度主要是指處于水平狀態的單點定位精度，該定位精度在實際計算中，主要參照了北斗衛星導航系統測量方法，通過對實際衛星信號進行精確化測試，并借助饋線，將OEM板與天線進行有效的連接，當OEM板獲得最終定位結果后，方可對坐標信息進行精確化輸出，此外，還要將數據采樣間隔、數據記錄量分別設置，并對單點定位精度進行精確化計算，靜態單點定位精度圖和動態單點定位精度圖分別如圖5、圖6所示，從圖中可以看出，設備實際位置與精確坐標之間的距離誤差遠遠優于3 m。

4.2.2 車載終端速度精度測試

在對車載終端速度精度進行測試期間，需要參照北斗衛星導航系統相關測量方法，使用模擬器，對用戶運動購機和導航信號進行真實化模擬，并完成對射頻仿真信號的輸出。被測OEM板經過仿真測量后，其速度數據輸出更新頻率達到了1 Hz，參照模擬器的仿真速度，對速度誤差進行計算。車載終端速度精度圖如圖7所示。從圖7中可以看出，設備實際位置與精確坐標之間的距離誤差遠遠優于0.3 m。

5 結語

綜上所述，在聯合定位算法、路徑規劃算法的應用背景下，本文所設計的北斗高精度智能交通系統具有強大的高精度定位功能，可以實現對車輛和人員的精確化、高效化定位，極大地提高了北斗系統建設水平，為用戶帶來良好的使用體驗。由此可見，該系統表現出較高的應用可行性和可靠性，有效地滿足了車輛和人員的高效化、精確化定位需求。